风能聚焦·叶片大型化趋势来临，高模高强+碳玻复合是材料未来方向

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本文摘要：（由ai生成）

风电叶片是决定风力发电机效率和寿命的关键部件，占成本15%-20%。中国叶片厂商已打破国外垄断并出口海外。叶片行业趋向专业化，第三方厂商崛起，市场集中度提高。技术进步推动叶片大型化，增强材料工艺创新，超高模高强玻纤和碳纤与玻纤复合材料是两大技术路线。风电纱供需紧平衡，价格高景气，预计2022-2025年需求年复合增速13.7%，粗纱价格将保持高位。

风电叶片约占风机成本的 15%-20%，其质量及稳定性影响风电发电效率及寿命。每台风机有三支叶片，风的推力驱动叶片转动，叶片长度越长，对力学性能上的要求也越高。风电叶片的设计及其采用的材料决定着风机的利用小时数，也决定着电力成本及价格。叶片作为核心零部件，其成本占风力发电系统总成本的比例通常为 15%-20%。风电叶片占风力发电装置成本的 18%左右，成本占比在风机中仅次于齿轮箱。

国内叶片厂商前期打破国外垄断，后期走出国门畅销海外。2000 年以前，中国风电叶片行业基本上是被外国企业垄断的市场，国内可参与的企业只有上海玻璃钢研究院和中国航空工业集团公司保定螺旋桨制造厂，技术和原材料掌握在欧美厂商手中。2000 年以后，凭借国家政策鼓励以及国内风电市场的繁荣，国产风电叶片逐渐打破国外产品垄断；中材叶片市场占有率从 2009 年不到 8%上升到近年来的 25%左右，国产叶片替代进口并赶超的趋势愈发明显。

　　
国内叶片厂商的崛起，也给上游玻纤企业创造了更多来自国内应用的需求。另一方面，全球风电装机近年来快速发展，给国产叶片出海提供了机遇，以时代新材为代表的厂商将国产叶片出口至国外风机厂；2020年公司与国际风电巨头 Vestas（维斯塔斯）联合设计 TMT76A 叶片，成为其首个国内供应商，销售金额约 3 亿元。

　　
叶片行业专业化趋势日趋明显，第三方叶片厂商脱颖而出。国内叶片制造企业分为独立第三方叶片厂商和整机厂的叶片部门。国内市场具备 1000 套以上产能的大型企业有 10 家左右，主要厂商包括中材科技、时代新材、中复连众等专业化叶片企业和部分主机厂如明阳智能等。在风电行业兴起之前，市场的主流是将叶片生产作为整机厂的一个部门。随着风电产业链不断成熟，风电整机制造商日趋集中，叶片需求日益旺盛，伴随不同地区都有独立第三方叶片供应商出现，整机厂商外采叶片的意愿提高。截至 2020 年，全球范围内，整机厂商叶片产能为39GW，独立叶片厂的叶片产能超过 95GW，叶片市场厂商逐渐以独立第三方供应商为主，主机厂叶片生产为辅。

　　叶片行业集中趋势日趋明显，规模化下龙头地位稳固。中国现在不仅仅是全球最大的整机制造基地，还是世界最大的叶片制造中心。中国风力发电机叶片行业经过自 2010 年以来的行业整合，参与者数量由高峰期的近 100 家收缩到 30 家以内，行业集中度提高，第三方叶片企业目前中国仅有 10 家，而前 3 家企业控制了大约三分之二的本地内销市场。由于风电叶片技术含量较高，定制性强，客户对供应商的考察周期较长，风电整机制造商在确定叶片供货商后通常会保持相对稳定的业务合作关系，行业领先者的市场份额优势将会越来越明显。

第三方叶片 Top 3 企业竞争壁垒十分稳固

　　1）中材叶片：公司拥有 7 个风电叶片产业基地，具备年产 1000 万千瓦风电叶片的设计产能，位居全球风电叶片制造行业前三甲。截止 2021 年 6 月，所销售叶片累计装机达 63580MW；累计出口 24 个国家，出口叶片装机达 4386MW。

　　2）时代新材：公司风电叶片规模位居国内第二，是国内拥有最强独立自主研发能力的叶片制造商之一，率先研发生产了海陆两用风力发电叶片。

　　3）中复连众：公司是中国复材和中国巨石联营子公司，在国内拥有 8 家叶片生产基地并在德国拥有 1 家叶片子公司，其中连云港叶片生产基地是全球距离港口最近的叶片工厂。公司累计生产叶片 60000 片，累计装机装机容量 30000MW。

　　风机产品功率加速迭代，叶片大型化趋势明显。平原地区风电机组由早期 1.5MW 迭代为 4MW，更契合陆风电场大基地项目需求，山地丘陵区域受到地形影响，主流机型为 2-3MW。海上风电机组单机功率要求普遍更高，起步于 2010 年的海上风电场建设主要使用 2MW 机型，而 2016 年和 2020 年海风发电机型最高功率分别达到 6MW 和 11MW，现阶段参与海上风电项目招标的厂商主推机型功率为 4-6MW，大兆瓦迭代趋势明显提速。大兆瓦风机要求大尺寸叶轮，因此叶片大型化趋势也十分明显。2014 年全球风电新增装机中 88%机型叶轮直径小于 110 米，而 2019 年叶轮直径为 110 米以上的风机占比达到 86.5%，2020 年主流机型的叶轮直径为 131-150 米，叶片大型化趋势明显。

　　
叶片大型化与平价上网共同作用，倒逼增强材料工艺创新

　　1）技术路线一：超高模高强玻纤。风电叶片大型化和轻量化的要求，使得叶片材料的选择从普通模量玻纤发展到高模量玻纤，减轻叶片重量的同时增加叶片刚度。虽然全碳纤维叶片能降低 30%-50%叶片重量，但目前面临成本高昂及制造工艺复杂的问题。因此在平价上网的前提下，最高性价比的技术路线仍然是高模高强玻纤。

　　2）技术路线二：碳纤与玻纤复合。当叶片超过一定尺寸，纯粹的玻璃纤维无法满足减重与刚性要求，需要碳纤维来增强。厂商长期在低成本和轻量化中寻找平衡，最终选择碳玻复合，充分结合二者优势，在成本小幅增加的情况显著提升材料性能。通过改变碳纤维和玻纤的比例，可以实现模量在 46Gpa-120Gpa 之间线性变化，为叶片设计优化、减重降本提供了可能。
　　目前全球最长碳玻混拉挤风电叶片——明阳智能MySE11-99A1叶片。

当前大型号机组占比偏小，十四五期间风电纱仍是叶片主流增强材料。2020 年中国新增陆上风电装机容量最多的是 2.5MW 的机型，占陆上风电装机容量的 40%，陆上 4MW 及其以下机组的装机占比在 96.8%。单机容量在 4-5MW 的风电机组只是小批量投产。2020 年中国海上新增风电机组 8MW 以下占比达到 95.5%。8MW 的机组叶轮直径一般在 180m 以下，全玻纤 80m+的叶片基本能满足 8MW 风机的要求。当前碳纤维规模化供应还有待时日，成本下降仍需观察，预计十四五期间全玻纤和碳玻复合仍将是增强材料的主流技术。

　　风电纱供需紧平衡，价格高景气有望延续

　　风电纱需求：预计 2022-2025 年风电纱需求年复合增速 13.7%

　　大型化叶片将增加高模量风电纱需求，我们推测单位玻纤需求：新增叶片为 10 吨/MW，存量叶片为 0.08 吨/MW。根据中材科技 2017 年风电织物生产线投资公告及中国巨石 2020 年年报披露，单位 MW 风机消耗 10-11 吨玻璃纤维，CPIC 2018 年风电用聚氨酯玻纤方案中披露单位 MW 聚氨酯叶片消耗 6.2 吨玻纤，综合考虑后假设新增风电叶片消耗玻璃纤维 10 吨/MW。此外，风机存量巨大，每年叶片损耗维修所需玻纤材料不容忽视。根据德国 2015 年跟踪调查报告统计，1500台2.5MW 风机 15 年运行故障情况统计显示叶片故障率最高，每台风电机组叶片更换数量为每年0.024个（即0.008套）。因此每MW存量风机平均每年更换0.008MW，即（0.008*10=） 0.08 吨的玻纤需求。

　　2025年风电纱需求有望达到71.6万吨，4年CAGR达13.7%。根据以上信息与假设，我们推测2019/2020/2021 年风电领域玻纤需求量为 27.4/73.9/42.9 万吨，主要因为抢装潮导致风电产业链上游叶片厂商透支性供给，从而引起玻璃纤维需求量随之大幅度波动。我们认为 2022 年后风电领域玻纤需求会受益于风电新增装机量逐年增长及风机存量运维需求扩大，而趋于稳步增长，有望于 2025 年达到 71.6 万吨需求水平，4 年 CAGR 达 13.7%。风电纱需求预期增速高于过去 5 年玻纤 10%左右的整体增速，在中高端领域起到较好的引领作用。随着汽车轻量化、电子电器等新兴领域的同步发展，未来整体 10%的年均需求增速有望延续。此外，龙头企业每年风电纱实际销量更加稳定，主要系交货节奏相较于风电抢装节奏而言更加平滑，而且海外销售可以对冲业绩波动。

　　风电纱供给：国内三足鼎立，2022 年产能偏紧，粗纱有望延续高价

　　风电纱高资金壁垒+高技术壁垒，中国市场三足鼎立。

　　1）资金壁垒：根据近年新点火产线投资情况及 2019 年产业结构调整指导目录，玻纤生产线单位投资强度大，普通玻纤纱/高端玻纤纱每万吨投资额约为 1 亿/1.5 亿，且新建窑炉规模至少 5 万吨，决定了行业具备较高的资金壁垒。

　　2）技术壁垒：窑炉设计、浸润剂配方、工艺成型、强度模量等多环节需要较长时间的研发积累及资深员工经验。随着玻纤与叶片产研融合度增加，风电纱进入下游客户通常需要数年的认证周期，决定了行业具备较高的技术壁垒。

　　高壁垒决定了高集中度，风电纱领域的集中度明显高于整体玻纤领域。2018 年我国风电纱市场形成三足鼎立的局面，中国巨石/泰山玻纤/CPIC市占率为 37%/29%/25%，三者销量合计占比高达 91%；考虑到 2019-2020年国内高模量玻纤产能扩建主要集中在三巨头，风电纱高集中度格局将保持稳定。而截至 2021 年 10 月，三巨头整体玻纤在产产能市占率合计为 61.20%，整体集中度明显低于细分风电纱领域。

　　切换产线可缓解局部供给紧张，未来风电纱供需平衡或与整体粗纱大致相同。由于高模量的风电纱与其他无碱粗纱在产线上并没有本质上的区别，通过更换玻璃液配方、调整拉丝工艺等手段可以在一定限度内实现产能灵活切换。因此除 2020 年下游需求剧烈变化等特殊年份以外，产线的切换可以缓解局部供应紧张的局面，从而使得风电纱领域的供需平衡与无碱粗纱行业整体供需平衡接近。今年 9 月份以来各类粗纱全面、均衡涨价，也能侧面印证这一点。

　　预计 2022 年新增粗纱产能 50 万吨，供需紧平衡有望维持粗纱高价。

　　
在 2021 年全年供不应求的高景气行情下，无碱粗纱与电子纱价格整体上持续提升。10 月以来中国巨石等龙头企业主动涨价，使得行业积极响应，预计高价格可穿透全年甚至明年一季度。据统计，预计 2022 年新增无碱粗纱产能为巨石成都 3 线 15 万吨，CPIC长寿 F12 线 15 万吨，以及重庆三磊、邢台金牛各 10 万吨。合计新增 50 万吨，与 2021 年新增产能节奏相近，产能增长 10%左右，略低于风电纱需求预期增速。而下游汽车轻量化等领域的蓬勃发展预期也将充分消化行业新增产能，因此 2022 年仍然是供需紧平衡的一年，粗纱价格有望维持较高水平。

来源：中国化工报

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来源：碳纤维生产技术

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